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        基于Nastran高級(jí)仿真的車門有限元分析

        2019-07-09 13:24:55左小勇
        時(shí)代汽車 2019年2期
        關(guān)鍵詞:有限元分析

        左小勇

        摘 要:本文基于Nastran仿真模塊對車門及其附件進(jìn)行了有限元分析,得出柔性沖壓件車門在不受外力情況下的應(yīng)力應(yīng)變,以便優(yōu)化車門公差分配。

        關(guān)鍵詞:有限元分析;Nastran高級(jí)仿真;公差分配優(yōu)化

        汽車制造裝配質(zhì)量較大的影響著車輛外觀和整車質(zhì)量,公差分配設(shè)計(jì)是在初期時(shí)規(guī)定零件的尺寸、公差的要求。能夠影響沖壓模具、焊臺(tái)的精度,是制造誤差原因的上游,因此公差分配優(yōu)化在汽車設(shè)計(jì)時(shí)至關(guān)重要。目前,國內(nèi)外研究者在公差分配優(yōu)化研究上,主要是對剛性體,而對柔性件如車身等研究少見。即便有,一般也是將其理想化為剛性體,進(jìn)而進(jìn)行研究。但這一處理,無法滿足汽車設(shè)計(jì)中,對公差分配的高要求。

        車門及其側(cè)圍、鉸鏈等由鋼板沖壓制造,需要考慮此類柔性沖壓鈑金件變形情況下的公差分配優(yōu)化,本文基于Nastran仿真模塊對車門及其附件在三維公差分配優(yōu)化之前考慮零件的變形情況,對模型進(jìn)行有限元分析。得出柔性沖壓件車門在不受外力情況下的應(yīng)力應(yīng)變,以便優(yōu)化車門公差分配。

        1 有限元分析

        有限元分析,是一種將工程實(shí)際問題有限元化的現(xiàn)代工程分析計(jì)算方法。其基本思想是復(fù)雜問題簡單化,用有限的未知量去逼近無限的真實(shí)系統(tǒng),在模擬部件受力、應(yīng)變時(shí),是一種很有效的數(shù)值分析方法。

        2 基于Nastran的高級(jí)仿真

        要對車門做有限元分析,得到車門及其側(cè)圍,包括車門鉸鏈?zhǔn)苤叵碌淖冃?,本文使用UG6.0的高級(jí)模塊進(jìn)行仿真計(jì)算分析。在仿真時(shí),先對模型進(jìn)行網(wǎng)格處理,然后定義約束,施加應(yīng)力。使用Nastran求解,得到車門及其附件在不受外力,僅有自身重力情況下的應(yīng)力應(yīng)變。步驟如圖2所示。

        3 車門的有限元仿真

        車門及其鉸鏈?zhǔn)芰ψ冃螌囬T外觀和制造質(zhì)量都有影響。本部分通過有限元分析,得出了車門及其附件在不受外力,僅受自身中立情況下的應(yīng)力應(yīng)變。

        3.1 建立數(shù)學(xué)模型

        模型的網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量不能過多,否則一方面網(wǎng)格劃分繁瑣,另外會(huì)較大增加計(jì)算量和時(shí)間,還可能引起內(nèi)存溢出。對車門的有限元分析,可以把不影響整體結(jié)構(gòu)的孔和小的圓角簡化掉,這樣既減少了網(wǎng)格數(shù)量,又降低了網(wǎng)格劃分難度。對車門扣手和風(fēng)窗孔,可以用自由曲面補(bǔ)平;安裝孔、槽等可以忽略。處理之后的模型如圖3所示。

        在UG中選擇Nastran模塊,進(jìn)行高級(jí)仿真有限元分析。

        3.2 定義材料屬性

        對車門內(nèi)外板材料屬性進(jìn)行定義:材料類型,特性設(shè)為“各向同性”;材料質(zhì)量密度7.85;楊氏模量設(shè)為20940000kPa,泊松比設(shè)為0.288,屈服強(qiáng)度138795kPa,抗拉強(qiáng)度為275790kpa物理屬性如圖4所示。

        3.3 網(wǎng)格單元檢査

        對車門內(nèi)外板網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格檢查,檢查結(jié)果如表1所示。失敗的單元,需重新劃分失敗單元周圍網(wǎng)格,直至全合格。

        3.5 解算方案

        在成功劃分網(wǎng)格后,進(jìn)行解算。使用NX Nastran求解器,因?yàn)橹恍枰治鲕囬T及其附件受重力影響下的公差分配,所以采用單約束結(jié)構(gòu)分析,使用迭代求解,選最大作業(yè)時(shí)間。

        3.6 定義仿真對象類型、約束

        可以采用面與面粘合的方式,讓內(nèi)外板網(wǎng)格連接,以此讓車門內(nèi)外板的網(wǎng)格之間,讓力和位移能夠傳遞。粘合后模型如圖5所示。上鉸鏈?zhǔn)┘拥募s束如圖6所示。施加給模型對應(yīng)的載荷。對側(cè)圍、鉸鏈等附件對車門的影響,定義壓力如圖7①,而車門自身受重力的影響,定義載荷如圖7②。

        3.7 模型設(shè)置檢查

        為確保正確求解模型,對模型設(shè)置檢查后,進(jìn)行解算。如表2所示。

        4 結(jié)果分析

        檢查模型的計(jì)算方案正確后,解算模型,設(shè)置最大求解時(shí)間、求解器位置、迭代求解器、溫度等。軟件可以通過分析工作監(jiān)控模塊、迭代收斂模塊,自動(dòng)進(jìn)行解算,解算結(jié)束,可以得到解算結(jié)果,進(jìn)而獲得車門應(yīng)力應(yīng)變信息。

        由圖8可知,最大位移(a)是0.169mm在車門右上角處,最大應(yīng)力(b)是1.64MPa在車門鉸鏈安裝面周圍。選取典型節(jié)點(diǎn)(表3),位于車門邊緣節(jié)點(diǎn)的位移是0.105-0.121mm。

        車門是通過鉸鏈安裝的,而門鎖僅起到鎖止作用,對車門垂直方向的位移不能進(jìn)行限制,所以當(dāng)車門受力時(shí),其后沿變形量最大。車門受鉸鏈約束力作用,因此鉸鏈在車門上的安裝面的周圍應(yīng)變最大。以上有限元分析結(jié)果符合實(shí)際車門應(yīng)力應(yīng)變情況。

        車門縫公差分配一般分布在0.7-1.3mm,由上述分析結(jié)果可知,車門在受自身重力,無外力作用下的變形就為0.18mm。合理的公差設(shè)計(jì)對汽車制造質(zhì)量有重要意義,根據(jù)AUDIT評(píng)審(汽車質(zhì)量客觀評(píng)價(jià)法)得出,在對車門公差分配設(shè)計(jì)時(shí),必須考慮車門及其附件,在不受外力僅受自身重力情況下的變形,以滿足汽車尺寸工程對零件公差的設(shè)計(jì)的控制,保證后續(xù)建模的進(jìn)行。

        參考文獻(xiàn):

        [1]Zhengshu Shen. Tolerance Analysis with EDS/Vis VSA[J],Journal of Computing and Information Science in Engineering,2003,3,95-98.

        [2]刑魯超.基于逆向工程的車門設(shè)計(jì)技術(shù)[D].山東理工大學(xué),2012.

        [3]Song Gao,Xiaoyong Zuo. Surface Extension in Smoothing of Class A Surface for auto-body[J].Advanced Materials Research,2010,362(4):2767-277.

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